Giriş
Yakıt hücreleri, teknoloji tabanı ve ekonomik büyüme üzerinde önemli etkisi olan mevcut enerji sistemi ortamında önemli bir itici güçtür. Küresel yakıt hücresi sistemi sevkiyatları 10'de %2020 artışla 1.3 GW'a ulaştı. Taşımacılık sektörü, küresel olarak sevk edilen birim sayısında %25'lik bir büyüme ile liderliğini sürdürüyor.
Son yıllarda, havacılık santralleri için yakıt hücresi sistemlerinin geliştirilmesine yönelik birçok projenin başlatıldığı görüldü. Bu bağlamda, turbo makine bileşenlerinin etkin entegrasyonu, bu teknolojinin genel performansını ve ekonomik uygulanabilirliğini sağlamada anahtardır. Bu yönler bu blogun konusu.
Yakıt Hücresi Teknolojisi
Yakıt pilleri, bir yakıtın kimyasal enerjisini elektrokimyasal reaksiyonlarla doğrudan elektriğe dönüştüren cihazlardır. Bir yakıt hücresi elemanı, bir elektrolit ile ayrılmış, eşleşen bir çift elektrota (anot ve katot) sahiptir. Elektrotlara uygun bir yakıt (örneğin hidrojen) ve oksitleyici (sıklıkla oksijen) akışı sağlanır: ortaya çıkan reaksiyon elektrik ve su artı bir miktar ısı üretir. Bu işlemin basitliği Şekil 1'de gösterilmektedir.
Pek çok avantajı vardır: verimlilik, güvenilirlik, düşük gürültü ve kompaktlık, bunların tümü çevresel olarak ilerici bir çözüm uygularken. Uygulama potansiyeli de çok çeşitlidir, bazen çok kritik alanlarda.
1965-66 gibi erken bir tarihte İkizler burcu insanlı uzay kapsülleri (Şekil 2), yakıt oksitleyici reaksiyonunu kolaylaştıran bir platin katalizörü ile kaplanmış ince geçirgen bir polimer tabaka olan bir "proton değişim zarı" içeren yakıt hücrelerini içeriyordu.
2008'de Boeing, değiştirilmiş bir uçağı test etti. Elmas DA20 20 dakika boyunca tek bir proton değişim membranlı yakıt hücresiyle çalışan hafif uçak (Şekil 3).
2021 itibariyle, havacılık hidrojenle çalışan yakıt hücreleri alanında birçok şirket faaliyet göstermektedir.
Yakıt Hücreleri Sistemleri ve Turbo kompresörler: Gereksinimler ve Eğilimler
Yakıt ve oksitleyici akışını yöneten herhangi bir sisteme bir yakıt hücresi elemanı entegre edilmiştir (Şekil 4). Hücreye uygun basınçlı hava akışını sağlamak ve parçaların soğutulmasını desteklemek için bir turbo kompresör kullanılır.
İşte yakıt hücreleri ve turbo kompresörler nihayet uygulamalarda nasıl bir araya geliyor.
Havacılık tahrik uygulamaları için bir turbo kompresör sistemi, diğer çözümlere kıyasla ideal ağırlık, boyut ve verimliliği sağlar. Ayrıca, bu birimlerin tasarımında ve üretiminde kullanılan kanıtlanmış teknolojiler, yüksek düzeyde güvenilirliği destekler.
Şu anda gösterimlerde veya prototiplerde uygulanan tipik sistemler, bu sistemleri karakterize eden kütle akış hızları (genellikle 0,1 kg/s'den düşük) ve dönüş hızları (8,0000 rpm'ye kadar) için yüksek performansı garanti eden merkezkaç aşamalarını içerir. Örneğin Aeristech AeS801A, 2.5 basınç oranıyla 2.6 kg'dan daha hafif olan 1,6 kW, hava soğutmalı bir ünitedir. Rotoru, ömür boyu yağlanmış sızdırmaz bir mahfaza içinde rulmanlı yataklarla donatılmıştır.
Havacılık gereksinimleri, mekanik stresleri (şok, titreşim) ve geniş çevresel sıcaklık ve basınç aralıklarına uyumu içerir. Turbo kompresör, yakıt hücresine öngörülen akış koşullarını sağlarken zorlu bir çalışma zarfını (Şekil 6) kaldırabilmelidir. En son teknolojiye sahip sistemler için şu anda düşünülen tahliye basıncı, optimal yakıt hücresi tasarımını sağlamak için 3 bar mertebesindedir. Teslimat sıcaklığı, yakıt hücresi sıcaklığına ve cihazın içinde yoğuşmayı önleme ihtiyacına bağlı olarak kısıtlamalara tabi olabilir. Bir proton değişim membran ünitesi için çalışma sıcaklığı 180 C'ye kadar olabilir.
Uçuş sırasında uçağın çalışma koşulları değiştikçe, turbo kompresör, basınç oranı ve hacimsel giriş akışında büyük bir değişimi idare etmelidir. Bu, değişken bir kompresör hızı ile sağlanabilir. Aynı anda, ancak yalnızca seyir durumunda çalışan iki paralel ünite ile donatılmış kompresör sistemlerine de dikkat edilmiştir.
Kompresör sisteminin hızlı geçici tepkisi, havacılık santralleri için de bir gereklilik olabilir. Sistemin dinamik davranışı, hafif rotor malzemelerinin doğru seçimi, minimum atalet momenti için dönen parçaların yeniden tasarımı, yatak seçimi ve hava kanalı sisteminin konfigürasyonu ile önemli ölçüde iyileştirilebilir. Yukarıda gösterilen Aeristech AeS801A, 0.28 s'den daha kısa bir geçici tepki ile alıntılanmıştır.
Membranın hasar görmesini önlemek için hava kontaminasyonundan da kaçınılmalıdır. Tipik yakıt hücresi gereksinimleri, 100 ppm'den daha düşük bir yağ içeriği belirtir. Bu nedenle tasarım, hava kalitesini sağlamak için hava yatakları ve diğer özel tasarım çözümlerini içerebilir. Kompresör, membran boyunca aşırı basınç farkı hasara neden olabileceğinden, tüm çalışma zarfı boyunca sabit, titreşimsiz bir hava akışı sağlayabilmelidir.
Genel olarak, bir turbo kompresör sistemi, öncelikle uçak motoru tasarımı ve ilgili alanlardan elde edilen teknolojik olgunluk sayesinde, tüm bu gereksinimleri en iyi şekilde yerine getirme kabiliyetine sahiptir.
Daha Fazla Geliştirme ve Zorluklar: Turbo Kompresörlerin Rolü
Bu avantajlarla birlikte “Havacılık şirketlerinin şu anda bu yaklaşıma geçmesini engelleyen nedir?” diye sorulabilir. Cevap, kompresörün yalnızca bir alt bileşeni olduğu yakıt hücresi motorunun tamamına bakmamızı gerektiriyor.
Küçük uçaklar için genel teknoloji yaklaşımı kanıtlanmış olarak kabul edilebilirken, büyük ticari platformlarda etkili entegrasyon için hala önemli gelişmelere ihtiyaç var. Şekil 7, birkaç üretim sistemi için spesifik güç ve güç yoğunluğunun bir karşılaştırmasını göstermektedir. Görüldüğü gibi proton değişim membranlı yakıt pilleri hala günümüzün yanmalı motorlarının performansı ile örtüşmemektedir.
Genel olarak, belirli güçteki boşluğu kapatmanın, büyük uçaklarda yakıt hücrelerinin uygulanması için önemli bir kolaylaştırıcı olacağı kabul edilmektedir. Gelecekteki gereksinimlerin, büyük ölçekli yolcu/ticari havacılık için özgül gücü 2 kW/kg'a kadar artırması ve ilgili gelişmiş sistemlerin gelişimini yönlendirmesi bekleniyor.
Bu zorlu hedeflere ulaşmak için, yakıt hücrelerinin tasarımının, muhtemelen iyi bir ağırlık, maliyet ve dayanıklılık dengesine sahip sıvı soğutmalı ünitelerin geliştirilmesi de dahil olmak üzere, uçak uygulamaları için güçlü bir şekilde optimize edilmesi gerekecektir.
Turbo kompresör sisteminin bu bağlamda oynayacağı çok önemli bir rol vardır. Yakıt hücresinin teknolojisi ve operasyonlarıyla yakından eşleşen hafif, yüksek basınç oranlı tasarımların geliştirilmesinin, daha iyi özgül güce yönelik itici güç olması bekleniyor. Bu açıklamaların ışığında, havacılık uygulamaları en iyi şekilde yüksek düzeyde özelleştirilmiş, gelişmiş performanslı turbo-makine ekipmanı ile tatmin edilecektir.
Sonuç
Mevcut tahminler, havacılığın 24 yılına kadar küresel CO2 emisyonlarının %2050'ünü üretebileceğini tahmin ediyor. Hidrojen yakıt hücresi teknolojisi, “gerçek sıfır” çözümler sunma, diğer bir deyişle tüm brüt emisyonları sıfıra indirme potansiyeline sahiptir. Bu nedenle, artan proje sayısından da görebileceğimiz gibi, çevre gündemi bu sistemleri geliştirmeye yeni bir ivme kazandırıyor. Birçok oyuncu şu anda küçük uçaklar için motor çözümleri üzerinde çalışıyor. Büyük ölçekli tahrik uygulamaları, gelişmiş teknolojilere olan ihtiyacı dikte ederek, belirli güçte önemli iyileştirmeler yapabilen sistemler gerektirecektir.
Bu ortamda, özelleştirilmiş yüksek performanslı turbo kompresörler önemli bir itici güç olacak. Bu tür üniteler için tasarım zorluğu, dikkatli bir performans, ağırlık ve operasyonel gereksinimlere uygunluk dengesi gerektirecektir. Güçlü optimizasyon kabiliyeti ve hızlı geri dönüş ile karakterize edilen yazılım araçlarının mevcudiyeti, bu tür tasarımlar için anahtar olacaktır. SoftInWay'in yakıt hücresi sisteminizden en iyi şekilde yararlanmanıza nasıl yardımcı olabileceği hakkında daha fazla bilgi için AxSTREAM platformu veya burada bir deneme talebinde bulunun Link.
Referanslar
- Yakıt Pili ve Hidrojen Gözlemevi – Bölüm 1 Teknoloji ve pazar. Link
- “Hidrojen Yakıt Pilleri, Açıklaması”, Airbus, 15/10/2020 Link
- “Yakıt hücresi – Tanım, Türler, Uygulamalar ve Gerçekler, Britannica Link
- Smithsonian Ulusal Uzay ve Hava Müzesi, Yakıt Hücresi, İkizler Link
- “PEM Yakıt Hücrelerinde Hava Yönetimi: Son Teknoloji ve Olasılıklar” Benjamin Blunier Link
- “Boeing, İlk Yakıt Hücreli Uçak Testiyle Yükseliyor”, Popular Mechanics, 2009 Link
- “Yakıt Hücreli Enerji Uçağı Enerji Yarışması, 2007, Link
- Havacılık Uygulamalarında Yakıt Pilleri. Özel Tesis Dengesi İhtiyacı, F. Boudjemaa, 2015, Link
- “Sivil Uçaklarda Güç Üretimi için Turboşarjlı PEM Yakıt Pili Sistemlerinin Performans Değerlendirmesi”, S. Campanari, G. Manzolini, A. Beretti, U.Wollraub, 2008, Link
- “Daha Büyük Uçaklar için Yakıt Hücresi Teknolojisi Emisyonu Düşürebilir”, K. Reichmann, 2021, Link
- “Hidrojen havacılık için geleceğin yakıtı mı?”, Roland Berger, 2020, Link
